提高催化裂化柴油十六烷值技術探討及應用

張海源

（中國石油化工股份有限公司 武漢分公司， 湖北 武漢 430082）

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提高催化裂化柴油十六烷值技術探討及應用

張海源

（中國石油化工股份有限公司 武漢分公司， 湖北 武漢 430082）

摘 要：隨著柴油質量標準的不斷升級，催化裂化柴油因十六烷值低、芳烴含量高等特點，加工難度日趨增大。研究學者針對提高催化裂化柴油十六烷值開發出加氫改質、加氫轉化、加氫處理-催化裂化組合、加氫裂化摻煉催化柴油等技術，各類技術在產品結構、產品質量、改造難度等方面各具特色。煉油企業可根據自身的需求選擇適宜的技術，以實現柴油質量升級。某企業在應用了加氫裂化摻煉催化柴油技術、加氫處理-催化裂化組合技術后，柴油十六烷值有所提升，車用柴油比例由60%提升至94%，在每月加工1萬t外購催化柴油的情況下，車用柴油比例仍維持80%以上。

關 鍵 詞：催化裂化柴油；十六烷值；加氫改質；車用柴油

隨著環保法規的日趨完善，生產低硫、低芳烴、高十六烷值的優質柴油逐步成為當前世界各國車用柴油燃料的生產趨勢。我國環保法規亦要求在2017年全國范圍內實施國Ⅴ車用柴油標準，其中，車用柴油產品要求硫含量≯10 μg/g，多環芳烴含量≯11%，十六烷值≮51。

催化裂化工藝是我國煉油企業主要的重質油加工手段之一，其加工能力占一次加工能力的比例較高，這也使得我國煉油企業催化裂化柴油（以下簡稱催柴）在柴油組分中的比例偏高，據統計，中國石化平均約為20%，中國石油約為25%，少數企業已達到30%以上［1］。但是，催柴十六烷值較低，一般僅15～30，與車用柴油（簡稱車柴）十六烷值指標有一定差距，加工難度較大。目前，煉油企業加工后的催柴主要用于調和對十六烷值指標要求較低的普通柴油（簡稱普柴），少量用于調和車柴。而眾所周知，目前車柴與普柴之間存在300多元/t的差價，不同的催柴調和方向給企業帶來的效益有著天壤之別。在柴油市場需求萎縮，煉油行業效益不佳的大背景下，如何經濟、有效地通過提高催柴的十六烷值來增加企業的車柴產量，提高經濟效益，已逐步成為當前乃至今后一段時期內煉油企業面臨的熱點問題之一。

1 催柴的特點及提高十六烷值的反應原理

對于煉油企業而言，柴油組分主要由常減壓、催化裂化、延遲焦化和加氫裂化四類裝置生產，各裝置柴油餾分性質及國Ⅴ車柴指標見表1。與其它各柴油餾分相比，催柴的密度最大，芳烴和多環芳烴含量最高，十六烷值最低，與車柴指標差距最大。而研究表明［2］：柴油十六烷值的高低與其烴類組成有著密切的關系，各烴類十六烷值大小排序依次為：正構烷烴＞異構烷烴和環烷烴＞芳烴，其中，芳烴分子中芳環數越多，十六烷值就越低。因此，若要大幅提高催柴的十六烷值，就必須改變其烴類構成，盡可能降低芳烴含量，尤其是多環芳烴含量。

表1 各柴油餾分主要性質及車柴指標Table 1 Main properties of diesel components and standards of automobile diesel

催柴通過加氫提高十六烷值的過程，主要是在加氫脫硫、脫氮的基礎上，催柴中的芳烴分子進一步發生加氫精制、加氫裂化兩大類反應。其中，加氫精制主要發生芳烴加氫飽和反應；加氫裂化主要發生對十六烷值有較大貢獻的多環環烷芳烴、環烷烴的開環裂解，但同時伴有少量的對十六烷值有負貢獻的鏈烷烴、環烷烴側鏈和芳烴類側鏈斷裂的反應［3］。以十六烷值較低的萘類雙環芳烴為例，其加氫降芳提高十六烷值的化學反應歷程如圖1所示。其中（1）、（2）、（4）為芳烴加氫飽和反應，（3）為加氫裂化反應，當反應按（1）→（2）路徑，生成四氫萘、十氫萘類化合物時，十六烷值增幅較小，而當按（1）→（3）→（4）路徑發生反應，生成單環芳烴及單環環烷烴時，十六烷值增幅相對較大。

圖1 雙環芳烴加氫反應歷程Fig.1 Reaction process of hydrogenation of binuclear aromatics

2 提高催柴十六烷值技術

隨著國內油品質量升級進程的加快，相對于脫除柴油中硫而言，如何提高催柴的十六烷值，改善其燃燒性能，已經成為柴油加工過程中的重要研究課題之一。近些年來，國內外學者不斷地開拓創新，對改善催柴質量進行了持續的研究和開發，形成了多種提高催柴十六烷值的技術。

2.1 加氫精制技術

常規的加氫精制技術成熟、可靠，工藝流程簡單，可以很好地解決催柴的硫含量、氮含量、顏色和安定性等問題，但芳烴飽和率低，十六烷值提高幅度較小，一般僅2～5個單位，存在一定的局限性。因此，該類技術加工的催柴無法完全達到成品柴油標準，只能作為車柴和普柴的低比例調和組分。

2.2 加氫改質技術

柴油加氫改質技術是在脫除硫、氮等雜質的基礎上，經過芳烴加氫飽和、環烷烴選擇性開環等過程，進而大幅提高十六烷值。該類技術十六烷值提高幅度較大，一般在8～25個單位。近些年來，隨著煉油企業對產品結構、原料適應性等需求的調整，加氫改質技術的發展也日趨多樣化。如最大限度提高十六烷值的MCI、催柴深度加氫處理（RICH）技術等可較大幅度地降低密度，提高十六烷值，同時柴油收率可保持在95%以上［4，5］，適用于對十六烷值有要求，且柴油需求量較大的企業。MHUG、MPHG等劣質柴油中壓加氫改質技術，具有一定的加氫轉化深度，可大幅度提高柴油十六烷值，同時又能增產高芳潛的重整料［6］，適用于對提高十六烷值和增產重整料都有需求的企業。MHUG-Ⅱ靈活加氫改質技術［7］設置了兩路分區進料系統，兼顧了催柴加氫改質和直餾柴油加氫精制的需要，具有更強的原料適應性。適用于對十六烷值有需求，但加氫裝置較少，難以實現柴油分類加工的企業。RICH-臨氫降凝組合技術、FHI柴油加氫改質降凝技術等［8］在提高十六烷值的同時，較大幅度地降低柴油產品的凝點，適用于對低凝柴油有較大需求的北方煉油企業。高能效的SHEER加氫改質技術［9］設置了反應開工爐，取消反應加熱爐，高效集成了高溫高壓逆流傳熱技術、微旋流脫烴脫胺技術、非直接接觸在線防除垢技術和新型反應器內構件技術，可大幅降低裝置瓦斯耗量及能耗。適用于對提升十六烷值、降低能耗有需求，且反應熱相對過剩的企業，環境溫度偏高的南方企業應用效果更佳。

2.3 加氫轉化技術

加氫轉化技術是以催柴為原料，在脫除硫、氮等雜質的基礎上，控制芳烴的適度加氫飽和，通過四氫萘等單環芳烴的異構、開環，以及烷基苯等單環芳烴的烷基側鏈斷裂，將單環、雙環以上芳烴轉化為碳數小于10的高辛烷值汽油或輕芳烴，同時大幅提高未轉化柴油組分的十六烷值［10，11］。

該類技術主要利用劣質催柴的高芳烴含量這一特點，直接生產硫含量小于10 mg/kg的高RON的國Ⅴ汽油調和組分，同時可改善柴油的十六烷值。在我國柴油需求疲軟、汽油需求旺盛的大背景下，該類技術可縮短企業的加工流程，有效地降低柴汽比，提高高價值產品收率，經濟效益顯著，具有良好的發展前景。但由于該技術氫耗相對較高，一般達到3%以上，受制于壓縮機負荷的限制，加氫裝置進行利舊改造成本相對較高。適用于催柴產量較大，需要降低柴汽比、增產高RON汽油的企業。典型技術如：石科院開發的RLG技術、撫研院開發的FD2G技術、UOP公司開發的LCO UnicrackingTM技術、LCO-X組合工藝等。

2.4 加氫處理-催化裂化組合技術

加氫處理-催化裂化組合技術主要是將催柴先送至加氫單元進行多環芳烴的選擇性加氫飽和，生成如四氫萘類的單環芳烴，然后再送至催化裂化單元提升管發生開環裂化反應，進而實現柴油轉化為高RON汽油組分或輕芳烴。其中，加氫單元的選擇較為靈活，既可選擇柴油加氫精制、加氫改質裝置，也可選擇蠟油加氫或渣油加氫裝置。催化裂化單元需優化操作，降低氫轉移反應的發生，防止萘、菲類柴油組分在催化裂化和加氫裝置之間循環發生部分縮合生焦。

與加氫轉化技術相比，該類技術在加氫單元主要是進行多環芳烴的選擇性加氫，硫、氮的脫除要求并不苛刻，因此，氫耗相對較低，十六烷值提高幅度較小；加氫后的催柴進入催化裂化單元會占用其加工量，轉化生成的汽油組分不能直接調合汽油成品，還需進行脫硫處理。

該類技術可利用現有裝置進行簡單改造，投資少，見效快，可有效地降低柴汽比，經濟效益顯著，是催柴加工的優選方案之一。適用于大多數煉油企業，催化裂化和催化汽油脫硫裝置有剩余加工能力的企業效果更佳。目前該類技術主要有石科院開發的LTAG技術、撫研院開發的FFI技術等［12，13］。

2.5 加氫裂化摻煉催柴技術

加氫裂化技術具有產品質量好、產品方案靈活的特點，劣質的催柴進入高壓的加氫裂化裝置后，通過芳烴飽和、環烷烴裂化，可以實現劣質柴油的優質化，同時增產航煤、石腦油。但該技術對加裂裝置精制反應器溫升、航煤的煙點、尾油的BMCI有一定的影響［14］，因此，需控制催柴最大摻煉比例不大于15%，且摻煉量要相對均勻。

該技術路線利用現有的加氫裂化裝置，工藝簡單，成本較低，可有效消化低十六烷值的催柴，降低了企業柴油調和難度，適用于擁有加氫裂化裝置的企業。

綜上所述，企業可根據自身裝置結構、產品需求等情況，選擇適宜自己的技術路線，同時多技術并用，實現柴油質量升級以及經濟效益最大化。

3 提高催柴十六烷值技術的應用

以某企業為例，該企業有兩套催化裂化裝置及多套加氫裝置，主要生產國Ⅳ車柴和普柴，各裝置情況見表2。

表2 各裝置主要情況Table 2 Main situation of various units

由于上下游裝置加工能力不匹配，導致蠟油加氫、加氫裂化、催化裝置的原料不足。在汽油效益長期優于柴油的背景下，兩套催化裝置不斷提高渣油摻煉比例以做大加工量、增產催化汽油組分。這也進一步導致催柴占企業柴油組分的比例較高，且性質惡化，十六烷值僅20左右。企業雖有三套柴油加氫裝置，但均采用精制技術，無采用加氫改質或加氫轉化技術的裝置，催柴十六烷值提升幅度有限，因此，車柴產量始終較低。

隨著柴油質量升級進程的加速以及車柴與普柴價格差的擴大，原有的生產模式已明顯不符合企業效益優先的管理理念。出于增產車柴，提高經濟效益的目的考慮，企業對催柴的加工流程及柴油調合流程進行了多項調整。

2015年2月安排蠟油加氫裝置加工2#催化所產的全部催柴，摻煉催柴比例約為10%～15%。一方面利用蠟油加氫裝置富裕的加氫能力和相對于柴油加氫更高的操作壓力，更大幅度地提升催柴的十六烷值，另一方面蠟油加氫產出部分輕柴油，將重柴油組分壓入精制蠟油組分，再進入催化裝置提升管進行轉化，以進一步壓減催柴產量、增產汽油。此后，兩套裝置的柴油總產量由最初的2#催化產出的約25 t/h降至蠟油加氫產出的15 t/h。

2015年2月，安排加氫裂化裝置開始嘗試摻煉1#催化催柴，摻煉比例控制在約2%，隨后4月份逐步提高摻煉量至5%，從分析數據看，在摻煉催柴前后，加氫裂化裝置氫耗略有增加，尾油BMCI值有所上漲，柴油十六烷值則未發生明顯變化，始終維持在57～60。

根據車柴生產安排，自2015年5月份起，企業需每月加工約1萬t外購催柴。考慮到原料平衡的問題，企業安排1#柴油加氫停運，由操作壓力相對更高的2#柴油加氫生產普柴。柴油加氫原料方面繼續堅持分儲分煉的原則，直餾柴油和焦化汽柴油作為車柴原料供3#柴油加氫加工。兩套催化的柴油和少量焦化汽柴油作為普柴原料供2#柴油加氫加工。

隨著上述針對催柴加工方案的調整和實施，企業柴油組分十六烷值得到有效地提高，車柴比例大幅提升，經濟效益顯著。2014年1月至2015年9月企業車柴與普柴占柴油產品的比例情況見圖2。除2014年8、9月受3#柴油加氫裝置檢修影響導致比例異常外，2014年企業車柴比例基本維持在60%以下。隨后的2015年車柴比例明顯提升，2015年4月份車柴比例更是上升至94%的歷史最高峰。此后即便是在每月加工約1萬t十六烷值較低的外購催柴的情況下，車柴比例仍然能夠維持在80%以上。

圖2 車柴與普柴的比例情況Fig.2 Proportion of automobile diesel and general diesel

目前，該企業提升催柴十六烷值方面主要采用加氫精制技術，加氫裂化摻煉催柴技術、加氫處理與催化裂化組合技術。其中加氫裂化摻煉催柴技術應用效果較好，對企業提升催柴十六烷值貢獻較大，但摻煉比例略小，還有繼續提高的空間。企業應用了加氫處理與催化裂化組合技術，但由于采用催化原料與加氫后的催柴混合進料的方式，氫轉移反應比例較多，催化柴油產量雖有所下降，但催化汽油收率卻未出現明顯增長，汽油選擇性偏低。

在生產十六烷值≮49的國Ⅳ車柴階段，企業尚未完全實現100%生產車柴，今后國Ⅴ車柴升級后，面對十六烷值≮51的指標，車柴產量及占柴油比例必然出現大幅下降。在不新增裝置，原加氫裝置不進行大改造的情況下，為適應柴油質量升級、確保車柴比例，建議進行以下優化：

（1）進一步優化加氫處理與催化裂化組合技術。對催化裂化裝置提升管及噴嘴進行適當改造，利用閑置的1#柴油加氫加工全部自產催柴，精制催柴與蠟油原料分層進入催化裂化裝置，有利于四氫萘類單環芳烴的開環裂化，提高催柴轉化率，增產汽油組分。

（2）可將加氫處理與催化裂化組合技術中未轉化的部分催柴送至加氫裂化裝置進行摻煉，從而將自產的催柴全部轉化為汽油組分和高十六烷值的加裂柴油，實現國Ⅴ車柴質量升級。

（3） 2#柴油加氫因空速較高，生產國Ⅴ車柴時，在脫硫和提升十六烷值方面都將存在瓶頸。若企業需長期加工外購催柴，建議將其改造為多產石腦油的中壓加氫改質裝置，滿足該企業增產石腦油、提高柴油十六烷值的需求。

4 結 論

（1）催柴性質較差，必須通過改變烴類組成，降低芳烴含量，才能有效地提高催柴的十六烷值。

（2）在壓減柴油、增產車柴等不同的需求背景下，催柴加工技術的發展日新月異，企業可根據自身的裝置結構、產品需求等，選擇適宜的催柴加工技術，經濟、有效地實現柴油質量升級。

（3）某企業根據自身情況在應用了加氫裂化摻煉催柴技術、加氫處理與催化裂化組合技術后，柴油產品十六烷值有所提高，車柴的比例由60%提升至94%。

參考文獻

［1］劉靈麗.我國柴油質量升級問題研究［J］.當代石油化工，2010，187（7）：9-12.

［2］喬迎超，曾榕輝，劉濤，等.高密度、低十六烷值柴油加氫改質生產優質清潔柴油工藝研究［J］.當代化工，2012，41（1）：45-47 .

［3］張永奎，胡志海，劉曉欣，聶紅.柴油加氫改質過程烴類反應與十六烷值的關系［J］.石油學報，2013，29（3）：376-382.

［4］趙玉琢，方向晨.提高柴油十六烷值的MCI技術［J］.煉油技術與工程，2008，38（10）：1-3.

［5］王宏奎，王金亮，何觀偉，等.柴油加氫改質技術研究進展［J］.工業催化，2013，21（10）：16-19.

［6］張毓瑩，胡志海，辛靖，等.MHUG技術生產滿足歐V排放標準柴油的研究［J］.石油煉制與化工，2009，40（6）：1-6.

［7］蔣東紅，任亮，辛靖，等.高選擇性靈活加氫改質MHUG-Ⅱ技術的開發［J］.石油煉制與化工，2012，43（6）：25-30.

［8］王甫村，朱金玲.劣質柴油靈活加氫改質異構降凝技術及性能特點［J］.化工文摘，2007（6）：44-47.

［9］彭沖，方向晨，曾榕輝，等.高能效SHEER加氫成套技術開發及工業應用［J］.石油學報，2015，31（3）：657-662.

［10］任亮.LCO 加氫轉化生產高辛烷值汽油（RLG）技術開發與工業應用［C］.2015年煉油加氫技術交流會論文集，2015：216-220

［11］黃新露. 重芳烴高效轉化生產輕芳烴技術［J］.化工進展，2013，32 （9）：2263-2266.

［12］胡志海，聶紅.RIPP 應對市場挑戰和煉油增效的加氫技術研發及進展［C］.2015年煉油加氫技術交流會論文集，2015：19-25.

［13］張學輝，關明華，孫士可.FFI技術工業應用結果分析與總結，［C］.2015年煉油加氫技術交流會論文集，2015：585-588.

［14］徐光明，于長青.加氫裂化裝置摻煉劣質催化裂化柴油技術的應用［J］.煉油技術與工程，2011，41（4）：1-5.

Discussion and Application of the Technology of Improving Cetane Number of FCC Diesel Oil

ZHANG Hai-yuan
（SINOPEC Wuhan Company， Hubei Wuhan 430082， China）

Abstract:With the continuous upgrading of diesel quality standards， due to low cetane number and high aromatics content of FCC diesel oil， its processing difficulty is increasing. Some technologies for improving cetane number of FCC diesel oil have been developed， such as hydro-upgrading， hydro-conversion， and so on. These technologies have their own merits. Oil refining enterprises can choose the appropriate technology according to their own needs to realize the upgrading of diesel quality. After application of hydro-cracking blending FCC diesel oil and combined hydro-treating and FCC technology in a company， cetane number of diesel oil has been improved， the proportion of automobile diesel increases from 60% to 94%.

Key words:FCC diesel；Cetane number；Hydro-upgrading；Automobile diesel fuels

中圖分類號：TE 624

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0412-04

收稿日期：2015-12-26

作者簡介：張海源（1983-），男，湖北武漢市人，工程師，2005年畢業于北京石油化工學院化學工程與工藝專業，研究方向：主要從事臨氫裝置的生產、工藝管理工作。E-mail:zhanghy.whsh@sinopec.com，電話:027-86595510。